師秀萍, 唐致遠, 劉 東
(1.天津大學化工學院應用化學系,天津 300072;2.東莞市邁科科技有限公司,廣東東莞 523800)
Li3M2(PO4)3具有NASICON結(jié)構(gòu),存在足夠的空間可以傳導Li+離子。PO4為四面體結(jié)構(gòu),VO6為八面體結(jié)構(gòu),二者通過頂點處共用氧原子而連接在一起,以A2B3(A為PO4,B為VO6)為單元形成三維骨架結(jié)構(gòu)。此類化合物具有比過渡金屬更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。因此可以提高電池的循環(huán)性能和循環(huán)壽命,解決鋰離子電池以LiCoO2作為正極材料時存在的安全隱患。但是其存在導電性差的缺點。電子的傳導伴隨著位錯的產(chǎn)生、移動和消失等微觀現(xiàn)象,離子摻雜進入晶格后,由于不同離子半徑大小不同,使晶格發(fā)生變化進而產(chǎn)生位錯,從而從改變微觀結(jié)構(gòu)來改變材料的導電性能。與Li3Fe2(PO4)3相比,Li3V2(PO4)3具有更高的放電平臺和理論容量。目前,Li3V2(PO4)3的合成方法主要有高溫固相合成法、溶膠凝膠法、微波加熱合成法等。本研究以 Mg(OH)2作為 Mg2+源,采用溶膠凝膠法合成(Li1-xMgx/2)3V2(PO4)3(x=0、0.01、0.05、0.1),并用交流阻抗譜、循環(huán)伏安以及充放電循環(huán)對Li3V2(PO4)3的電化學性能進行研究。
按物質(zhì)的量比nLi∶nV∶nP∶n檸檬酸=3.2∶2∶3∶2 稱取LiOH·H2O,NH4H2PO4,V2O5和 Mg(OH)2[按(Li1-xMgx/2)3V2(PO4)3化學式,x=0,0.01,0.05,0.1]和檸檬酸,NH4VO3溶液中緩慢加入 5m L H2O2(30%),再將 LiOH·H2O,NH4H2PO4溶液緩慢加入。在上述溶液中加入飽和檸檬酸水溶液,80℃下水浴加熱直到形成溶膠。在真空干燥箱中120℃下烘12 h后取出仔細研磨,然后在管式爐中300℃下預處理3 h,充分研磨后在管式爐中N2保護下高溫煅燒8 h,隨爐冷卻后取出,仔細研磨3~4 h。按[Li3V2(PO4)3]∶(乙炔黑)∶(PTFE)=85∶10∶5 的質(zhì)量比混合均勻,溶解在無水乙醇中,超聲處理30min,將無水乙醇用電吹風吹干后,材料沖壓成面積約0.534 3 cm2的薄圓片,用4MPa的壓力將其壓在Al鉑集流體上,120℃下烘12 h。以Li片作為負極,1mol/L的LiPF6(EC+DMC)(體積比為1∶1)為電解液,在干燥箱中組裝成LIR2032型扣式電池,在電壓2.7~4.5 V范圍內(nèi)進行充放電測試。
結(jié)果如圖1中a、b、c、d所示,循環(huán)電壓范圍為2.7~4.5 V,a的充放電倍率為0.05C,b為0.1C倍率下不同程度Mg2+摻雜的循環(huán)性能曲線,c、d、e 分別為x=0.01,0.05,0.1 時材料的倍率循環(huán)放電比容量衰減曲線。從倍率循環(huán)測試曲線可以看出,x=0.05時,材料具有較好的電化學性能,在2.7~4.5 V電壓范圍內(nèi)進行充放電循環(huán)測試,0.05C充放電倍率下,其首次放電比容量為145mAh/g,庫侖效率高達90%以上。在0.1、0.2、0.5、1C的倍率下進行充放電循環(huán)測試,循環(huán)次數(shù)是20次,從容量衰減趨勢圖來看,0.1C循環(huán)20次后,x=0.01、0.05、0.1所對應的放電比容量分別為 125、131、122 mAh/g;0.5C循環(huán)20次后,x=0.01、0.05、0.1所對應的放電比容量分別為95、104、98mAh/g。在0.2C循環(huán)時,x=0.05的首次放電比容量為140 mAh/g左右,20次循環(huán)后仍為130mAh/g以上,而x=0.01時容量衰減快,x=0.1時,放電比容量低。由此可見,當x=0.05時材料具有較好的電化學性能。Mg2+摻雜時,由于其半徑比Li+大的多,摻雜后Mg2+取代Li+的位置必然產(chǎn)生位錯,使電子傳導更容易而增強了材料的導電性能,進而增強材料的電化學性能。當x=0.01時,材料性能比不摻雜Mg2+時有提高,表明了Mg2+的摻雜提高了正極材料Li3V2(PO4)3的電化學性能;當x=0.1時,材料的循環(huán)性能不如x=0.05時好,表明Mg2+摻雜量過多。這是因為,適當?shù)腗g2+摻雜可以提高材料的晶格間電子傳導速率,若Mg2+含量過多,則可能引起材料的晶格變形以至無法恢復,且Li+在充放電過程中無法原位脫嵌,這些都導致了材料的電化學性能降低。從交流阻抗譜圖(圖2、圖3)來看,四個水平下具有相同的擬合電路圖,溶液電阻相同,當x=0.05時,材料具有最小的傳荷電阻(約50Ω),所以電化學性能也比較好。因此,從本實驗來看,當x=0.05時,材料具有較好的電化學性能,當然,這不代表x=0.05時材料具有最好的性能,還應該進一步研究x=0~0.09之間的情況。
圖4所示為x=0.05時,摻雜Mg2+的材料的XRD譜圖,管壓40 kV,管電流40mA,掃描速率2(°)/min,掃描范圍是10°~20°。從圖譜中可以看出,Mg2+摻雜后材料的晶體形貌基本符合(Li1-xMgx/2)3V2(PO4)3的存在形式,Mg2+的摻雜沒有改變Li3V2(PO4)3的晶型和微觀結(jié)構(gòu),材料結(jié)晶完整,且具有純的Li3V2(PO4)3無法比擬的優(yōu)異性能,如:電子傳導能力,充放電性能等。
(1)Mg2+摻雜對sol-gel法合成鋰離子電池正極材料Li3V2(PO4)3的性能影響顯著;
(2)Mg2+摻雜到材料晶格間取代Li位,化學式可以寫為(Li1-xMgx/2)3V2(PO4)3,這是因為Mg2+的摻雜沒有改變Li3V2-(PO4)3的結(jié)構(gòu)和晶型;
(3)當x=0.05時,用該方法合成的樣品具有比較好的電化學性能,在2.7~4.5 V電壓范圍內(nèi)進行充放電循環(huán)測試,0.05C充放電倍率下,其首次放電比容量為145mAh/g,庫侖效率高達95%以上;0.2C循環(huán)時,x=0.05的首次放電比容量為140mAh/g左右,20次循環(huán)后仍為130mAh/g以上;0.5C循環(huán)20次后所對應的放電比容量為104mAh/g。從XRD分析結(jié)果來看,當x=0.05時,Mg2+的摻雜沒有改變Li3V2(PO4)3的晶型和微觀結(jié)構(gòu),材料結(jié)晶完整,電化學測試也表明,x=0.05時材料具有純的Li3V2(PO4)3無法比擬的優(yōu)異性能。
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